馬立東，潘海彥，王 云，孟智娟

(1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024;2.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島 066004;3.太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，太原 030024)

我國的一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭資源的比重一直是最高的，已成為國家制定的2020年發(fā)展規(guī)劃能否順利實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一[1]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對于煤炭的需求預(yù)計(jì)在下一個(gè)10年內(nèi)仍然保持迅猛增長狀態(tài)，煤炭生產(chǎn)過程中伴隨而來的采礦事故頻發(fā)，造成大量人員傷亡是近年來困擾煤炭行業(yè)發(fā)展的首要問題。發(fā)達(dá)國家對礦井事故的應(yīng)急救援工作的重要部分進(jìn)行了大量的研究。其中，南非、加拿大、美國、澳大利亞等國在礦山中設(shè)置和使用救生艙，已經(jīng)是礦井應(yīng)急救援中的一項(xiàng)成熟而有效的技術(shù)，并且已經(jīng)有過成功營救的案例[2－3]。

國外救生艙研究的重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向內(nèi)部空間生存環(huán)境的調(diào)節(jié)與控制，比如空氣成分控制和毒氣過濾裝置、艙內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)、精神和心理調(diào)節(jié)相關(guān)培訓(xùn)[4－6]等方面。

目前，國家有關(guān)部門規(guī)定:煤與瓦斯突出礦井以外的其他礦井，從采掘工作面步行，凡在自救器所能提供的額定防護(hù)時(shí)間內(nèi)部能安全撤到地面的，必須在距離采掘工作面1 000 m范圍內(nèi)建設(shè)避難硐室或救生艙;針對該規(guī)定未按要求做的生產(chǎn)企業(yè)可依法吊銷生產(chǎn)許可證[7]。國內(nèi)救生艙研究工作尚處于空白狀態(tài)?？萍疾俊笆晃濉笨萍贾斡?jì)劃對“可移動式救生艙”提出的兩項(xiàng)關(guān)鍵性的指標(biāo)，就是抗爆炸沖擊和持續(xù)耐高溫。規(guī)定救生艙抗沖擊能力不低于1.5 MPa;具備可承受最大沖擊波壓力不低于1.0 MPa。對隔熱性能和空調(diào)系統(tǒng)也提出要求，在外部環(huán)境長期高于80℃的條件下，艙體內(nèi)部溫度不可高于35℃[8]。當(dāng)前，國內(nèi)對礦用救生艙的研制至今還沒有成熟的產(chǎn)品投入使用。一些廠家由于對煤礦井下發(fā)生事故時(shí)的特殊環(huán)境了解不透徹，導(dǎo)致產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程走了很多彎路，或者研制出的產(chǎn)品不能符合實(shí)際要求[9]。

由于缺少設(shè)計(jì)研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用等方面的經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)救生艙生產(chǎn)大多通過嘗試法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且極少部分借助爆炸試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。在國家政策的要求下，救生艙的使用又迫在眉睫，因此搶占市場成為生產(chǎn)廠商和研發(fā)單位的首要任務(wù)。為了提高救生艙結(jié)構(gòu)的可靠性、節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本和縮短設(shè)計(jì)周期，作者與某機(jī)械廠合作，應(yīng)用非線性顯式有限元算法對其所設(shè)計(jì)救生艙結(jié)構(gòu)抵抗沖擊能力進(jìn)行模擬分析，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進(jìn)提供理論上的指導(dǎo)。

本文對兩種典型爆炸沖擊載荷(艙頭正面沖擊和艙體側(cè)面沖擊)進(jìn)行了模擬，根據(jù)相關(guān)文件規(guī)定和廠方要求對四種典型峰值超壓下的載荷進(jìn)行分析，并討論救生艙的變形行為與結(jié)果。

1 幾何結(jié)構(gòu)

救生艙的結(jié)構(gòu)(如圖1)特征為由門框式骨架作為支撐，骨架之間通過不薄于4 mm的波紋鋼板連接。連接方式有螺釘緊固和焊接兩種方式，為了方便運(yùn)輸和拆卸救生艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成若干個(gè)重復(fù)單元(如圖2)的連接，可以根據(jù)空間條件和人員數(shù)量組裝其長度。底部則和地面進(jìn)行固定連接，以防止受到?jīng)_擊被掀翻或移動。外部鋼板作為保護(hù)結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度是重點(diǎn)，內(nèi)部還有隔熱層、吸附層、裝飾層等結(jié)構(gòu)，為了提供生存所需條件內(nèi)部還配備有其它維持生存環(huán)境的設(shè)備。因而支撐結(jié)構(gòu)和外部鋼板對爆炸沖擊的抵抗能力決定著內(nèi)部各種功能模塊及設(shè)備的安全。

圖1 救生艙總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of refuge chamber

2 數(shù)值模型

2.1 邊界說明和載荷條件

從救生艙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出除了兩頭艙門其結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是重復(fù)單元的連接，為了減少計(jì)算量可針對其重復(fù)結(jié)構(gòu)(如圖2)進(jìn)行模擬分析。為了驗(yàn)證局部分析的可靠性，本文對整體也進(jìn)行了完整的模擬分析，與局部分析對比，兩者結(jié)果一致。第二種工況為艙頭承受正向的爆炸沖擊，以驗(yàn)證艙頭結(jié)構(gòu)(如圖3)的抵抗能力。

圖2 救生艙的單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Refuge chamber unit

圖3 救生艙的艙頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Head of refuge chamber

經(jīng)前面敘述，外部鋼板和支撐結(jié)構(gòu)對爆炸沖擊的響應(yīng)是本次分析的重點(diǎn)。邊界條件為:① 底面是和地面連接進(jìn)行固定;② 骨架及鋼板通過焊接相連成為一體;③ 爆炸點(diǎn)于遠(yuǎn)處，沖擊波波面為平面;④ 根據(jù)沖擊波超壓峰值變化曲線進(jìn)行加載;⑤ 不考慮二次沖擊或者回彈沖擊波;⑥ 艙體處于自由空間，能夠正?；貜棥?/p>

2.2 有限元模型

根據(jù)三向尺寸的關(guān)系特點(diǎn)，骨架結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元(減縮積分六面體單元)，而鋼板為殼體單元(厚度方向五個(gè)積分點(diǎn)普通殼單元)。骨架與鋼板之間通過綁定約束(tie)模擬焊接;骨架與鋼板結(jié)構(gòu)底部均做固定約束(encastre)邊界以模擬底部與地面的固定連接;載荷采用給定幅值曲線的均布面力(contribution)模擬爆炸產(chǎn)生的沖擊波平面。圖4所示為網(wǎng)格劃分結(jié)果和邊界設(shè)定情況。使用動態(tài)顯式算法對瞬間沖擊過程及響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，回彈分析則以動態(tài)分析結(jié)果作為初始狀態(tài)，用靜態(tài)隱式算法進(jìn)行計(jì)算。分別采用了兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，提高計(jì)算效率及結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確度。

瓦斯爆炸沖擊波衰減規(guī)律及破壞效應(yīng)的模擬分析為礦難救生系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)提供了高仿真度的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，一定程度上彌補(bǔ)了無法進(jìn)行真實(shí)爆炸實(shí)驗(yàn)的不足。

圖4 救生艙結(jié)構(gòu)單元的網(wǎng)格與邊界Fig.4 Mesh and boundary

骨架與鋼板材料均為Q345－A，其彈性模量為207 GPa，泊松比 0.3，密度 7.85 g/cm3，通過實(shí)驗(yàn)測得其屈服曲線如圖4所示。當(dāng)變形量較大時(shí)名義應(yīng)力－應(yīng)變無法準(zhǔn)確描述其變形行為，必須轉(zhuǎn)換成真實(shí)應(yīng)力－真實(shí)應(yīng)變:

式中:σnom、εnom分別為名義應(yīng)力、名義應(yīng)變，σ與ε為真實(shí)應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)變。

圖5 Q345－A的屈服曲線Fig.5 Strain and stress curve of Q345 － A

沖擊是瞬態(tài)過程，采用顯式動力分析能夠避免迭代收斂的問題和提高計(jì)算效率并且得到正確的結(jié)果?；貜梽t是在自由狀態(tài)下應(yīng)力的一種釋放過程即沒有外力的加載，采用隱式分析進(jìn)行計(jì)算可以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。通過數(shù)據(jù)傳遞實(shí)現(xiàn)兩種算法的結(jié)合，以顯式動力分析的結(jié)果數(shù)據(jù)作為回彈分析的初始條件進(jìn)行后續(xù)分析，邊界條件不變的情況下進(jìn)行回彈分析。

結(jié)果數(shù)據(jù)主要包括:骨架發(fā)生最大位移、鋼板中心變形量、頂部最大位移量及應(yīng)力最大值和以上結(jié)果所在區(qū)域。

文獻(xiàn)[10]通過數(shù)值模擬瓦斯爆炸，得出超壓為1.5 MPa沖擊波壓力隨時(shí)間的變化曲線。其有效作用時(shí)間約為5 ms，超壓峰值曲線為極速上升到最大值然后緩慢下降。文獻(xiàn)[11]于真實(shí)試驗(yàn)巷道中對瓦斯爆炸進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集工作，并得出了 0.5 MPa、0.92 MPa 和 2.2 MPa情況下的超壓，其超壓峰值變化曲線均為急劇上升然后緩慢下降的趨勢。并得出在有障礙物的情況下其峰值壓力最大可以達(dá)到2.5 MPa。提出了救生艙安裝位置應(yīng)該避免使其成為障礙物，以減少爆炸過程沖擊波因激勵(lì)作用增加對其沖擊。根據(jù)文獻(xiàn)[10]超壓峰值曲線對1.5 MPa峰值沖擊波情況進(jìn)行加載，根據(jù)文獻(xiàn)[11]所得超壓峰值近似作為 0.5 MPa、1 MPa、2 MPa峰值進(jìn)行加載。最終加載數(shù)據(jù)如表1所示。

由于超壓沖擊時(shí)間很短，在幾毫秒時(shí)間內(nèi)。鋼架結(jié)構(gòu)的溫度不足以在瞬時(shí)內(nèi)發(fā)生很大變化，因而不考慮溫度對材料性能的影響[12]。

表1 超壓峰值及其作用時(shí)間 單位:毫秒Tab.1 Ultra-pressure and effecting time unit:ms

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)單元側(cè)面沖擊響應(yīng)

0.5 MPa峰值艙體結(jié)構(gòu)只發(fā)生彈性變形，經(jīng)過回彈后完全恢復(fù)(如圖6所示);1 MPa峰值中部區(qū)域局部發(fā)生塑性變形;1.5 MPa塑性變形區(qū)域擴(kuò)大并且骨架底部局部有塑性變形;根據(jù)加載曲線2 MPa時(shí)作用時(shí)間的急劇增大，使結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的塑性變形，最大位移達(dá)到251.2 mm。以上產(chǎn)生的最大位移量與救生艙寬度方向跨度相比小于20%，減去艙體的撓度變形量遠(yuǎn)小于此。所有載荷所得結(jié)果列于表2。

表2 側(cè)面沖擊產(chǎn)生位移及回彈 單位:毫米Tab.2 Reaction displacement and rebound unit:mm

表2結(jié)果顯示，隨著超壓峰值的增高變形量增大很快，且不和載荷峰值呈線性關(guān)系，和有效作用時(shí)間也并非線性關(guān)系，如圖7所示(圖中從上往下的曲線分別為變形位移、最終位移、回彈量)。

圖6 0.5 MPa載荷下回彈量及最終變形圖Fig.6 Rebound in 0.5 MPa and the results

圖7 單元位移隨壓力峰值變化曲線Fig.7 Maximum displacement VS.ultra-pressure

圖8 正面沖擊模型邊界條件和網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.8 Boundary and mesh

3.2 正面沖擊

經(jīng)過整體模擬結(jié)果得出正面遭受2.0 MPa最大超壓峰值爆炸沖擊下只有與受沖擊艙門連接的第一節(jié)結(jié)果發(fā)生變形，為了減少計(jì)算量，即可只對一節(jié)進(jìn)行計(jì)算來反映整體的變形。其邊界條件為底面與里側(cè)骨架固定約束，如圖9所示。艙門、骨架和鋼板之間的連接與前面算例一樣通過綁定約束(tie)模擬，加載條件為表1所示。產(chǎn)生的變形量和回彈值結(jié)果列于表3。

表3 救生艙正面承受沖擊載荷的位移 單位:毫米Tab.3 Reaction displacement and rebound unit:mm

隨著超壓峰值的增大，變形位移和回彈位移均增加，但2 MPa超壓峰值時(shí)回彈位移出現(xiàn)了異常，比1 MPa的回彈位移量還小。由于變形發(fā)生的主要部位為艙門中部，經(jīng)過分析，艙門結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)為四周和骨架進(jìn)行固定連接，在2 MPa超壓峰值作用下中部變形很大出現(xiàn)了嚴(yán)重的凹陷，四周固定則應(yīng)力無法釋放所以不能夠產(chǎn)生有效的回彈，導(dǎo)致回彈位移很小。圖9(圖中曲線由上至下分別對應(yīng)A、B、C、D、E)為艙門上采樣點(diǎn)位置及其變形過程中位移變化曲線。根據(jù)模擬結(jié)果艙門在2MPa超壓峰值沖擊波作用下發(fā)生了很大變形，最大達(dá)到240.3 mm(如圖10所示)，與鋼板寬度方向跨度比值達(dá)到約50%。此時(shí)可能會對艙體內(nèi)部的設(shè)備及儀器造成沖擊和破壞，因而艙門結(jié)構(gòu)需要增大強(qiáng)度或者設(shè)計(jì)成中間向外凸出結(jié)構(gòu)。

圖9 艙門數(shù)據(jù)樣點(diǎn)位置及其位移變化曲線Fig.9 The sample points its displacement curves

圖10 2.0 MPa載荷下艙門回彈量及最終變形圖Fig.10 The rebound of door in 2.0 MPa ultra-pressure

4 結(jié)論

通過對救生艙側(cè)面和正面進(jìn)行沖擊載荷模擬，得出以下結(jié)論:

(1)救生艙變形最大位移與超壓峰值和有效作用時(shí)間的關(guān)系不是簡單線性關(guān)系，而是隨著二者的增大急劇增加。

(2)在側(cè)面沖擊中，由于結(jié)構(gòu)和變形的對稱性回彈量增大，但是最終變形位移仍是隨載荷增大急劇增加。

(3)在正面沖擊中，艙頭中部和邊部變形具有截然不同的趨勢;中部向里凹陷，邊部往外翹出。變形嚴(yán)重時(shí)，回彈變得困難即回彈量很小，使得最終變形量隨著超壓增高增加更快。

(4)該結(jié)構(gòu)中艙頭在2.0 MPa超壓峰值作用下發(fā)生嚴(yán)重變形，可能對內(nèi)部的設(shè)備和儀器造成破壞，艙門需要提高強(qiáng)度。

(5)在有限元分析中，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對其進(jìn)行簡化，在允許的精度范圍內(nèi)可以極大減小計(jì)算量。

目前，國內(nèi)流行的救生艙結(jié)構(gòu)大部分都是多個(gè)單元連接的箱式結(jié)構(gòu)，本文的研究方法以及結(jié)果能夠?yàn)榫壬摰脑O(shè)計(jì)提供有效的幫助。

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